激光通信中DPPM调制解调技术的FPGA实现

朱孟祥， 唐普英，唐湘成， 刘 怡，曾 晶 ，曾 军

（1.电子科技大学 四川 成都 610054；2.西南技术物理研究所 四川 成都 610041）

脉冲位置调制（PPM）就是用调制信号控制发送脉冲序列中各脉冲的相对位置，随着调制信号的变化而发生变化。作为新发展起来的无线激光通信技术，它具有编码简单，传输效率高，抗干扰能力强等优点，可以极大地提高通信系统的信息安全，广泛应用与超宽带移动通信，大气激光通信等领域。并且最重要的是，开展大气激光通信系统的研究对于国防现代化建设具有举足轻重的意义[1]。但是PPM调制解调传输信息时占用大量的带宽，造成不必要的浪费。

因此，在此基础上提出了新的调制解调方法DPPM调制解调技术，在相同传信率的情况下DPPM调制解调比PPM调制占用的信道带宽少，DPPM调制解调的加入，大大提高了大气激光通信系统传输信息的效率，成为其中不可或缺的技术。

通过对DPPM调制解调的建模，充分利用FPGA的丰富数字化资源，verilog语言代码的简单性，用尽可能少的逻辑资源成功实现一种DPPM调制解调方法，借助于QuartusII的SignalTap在线调试工具，成功模拟了DPPM调制解调技术，为以后DPPM调制解调技术的实用化打下了很好的基础。

1 DPPM的原理与建模

PPM是将一个n位二进制数据映射到2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处，每一个n位数据映射为对应某一个时隙处单个脉冲信号。一个M位的PPM信号，传输的信息比特为n=log2M。 一个nbit信源 U= （U1，U2， …，Un）∈{0，1}可以调制成具有M个时隙的PPM信号（M=2n），通过脉冲所在时隙中的位置来表示不同的信源组合（n位）。也就是PPM调制技术利用脉冲在一个信息帧的的相对位置来传递信息。若将单脉冲在信息帧的相对位置用P表示，则P=2n-1Un+Un-1+…+U1[2]，8-PPM信息帧调制示意图如1所示。

图1 脉冲位置调制示意图Fig.1 Sketch map of PPM

DPPM调制解调技术是在PPM调制解调技术上的一种改进方式，它时将一帧数据中单脉冲之后的低电平去掉，单脉冲之前的高电平全部保留。对于DPPM信号与PPM信号具有相同的分析方法，在这里就不赘述。DPPM码组传输的信息比特比PPM调制占用的信道带宽少。这样利用DPPM调制技术传输信号就在一定程度上节省了带宽[3]。信源比特和传送信号之间的映射关系如下表所示：

表1 信源比特和传送符号间的映射Tab.1 Mapping between source bits and transmit symbols

通过表格看出，PPM调制解调技术每一帧数据中的信息段必须包含4个时隙，而DPPM调制后信息每帧数据信息段就小于或者等于4个时隙，DPPM调制技术传输信号就在一定程度上节省了带宽，差分脉冲位置调制（DPPM）示意图如图2所示。

图2 差分脉冲位置调制示意图Fig.2 Sketch map of DPPM

2 DPPM调制器设计方案

DPPM调制器主要是将输入的信源信号由串行比特序列转变为时隙脉冲序列，具体包括信号的串并转换、脉冲位置的计算以及通过缓存器与控制模块产生DPPM脉冲。下图所示为DPPM调制系统实现的硬件框图[4]。

图3 调制器硬件框图Fig.3 Flow chart of modulator hardware

DPPM调制模块设计的核心部分为RAM存储器和计数器模块。RAM存储器模块主要是存储串并转换模块形成的并行信号，这其中有两个地址信号，写地址指信号（指示下一个数据要写的地址）和读地址信号 （下一个被读数据的地址）。当数据写到一定数量时，产生使能信号（En_Read），此时开始读RAM暂存器中的数据。

下面讨论一下关于RAM暂存器满的一些操作，当写地址信号大于等于RAM暂存器的容量时，写地址信号将清零，将执行复位操作；当暂存器未满的时候，写地址信号将执行加1操作，指向下一个数据的地址；在写verilog代码的时候，最重要的控制逻辑是当读写地址信号重合 （读地址=写地址并且 读地址大于0）的时候该如何进行操作。在这里我们将读写地址执行复位操作 （读写地址归零），并将读使能信号（enread）清零，接下来只能对对RAM暂存器执行写操作，这样就避免了读出一些以前存储的数据（错误数据），造成传送错误信息。当然读地址累加到设定的值会自动从开始累加，值得注意的是读写地址执行复位操作的优先级要高于上面的操作，以此避免读到错误数据（以前存储或者存储器空）。

经DPPM调制后的，SignalTap在线采样图如图4所示。

Pulse代表调制后的发射脉冲。

DPPM_Data代表输入经串并变换后的信号。

图4 调制器波形图Fig.4 Signal waveform graph of modulator

3 DPPM解调器设计方案

DPPM解调器主要从信道中解析出来帧同步信号、检测脉冲位置，并且根据脉冲位置和控制信号，结合串转换操作，输出串行二进制信息[5]。下图为DPPM解调器模块框图。

图5 解调器硬件框图Fig.5 Flow chart of demodulator hardware

在调试调制模块的编码程序中我们看到，每一段发射脉冲后面都会紧接着一段时间的低电平，而这段低电平的持续时间是固定的，接下来是信息段。当然信息段是不固定的，根据脉冲位置的变化而变化。低电平的持续时间是每次写暂存器RAM的半满时间。在信息传输过程中每一个信息帧都有同步头。在这里为了使解调模块尽可能的简单，没有特意的给每一帧发射信号插入同步头。而是将这段低电平的持续时间作为帧同步头[6]，这样解调起来相对方便快捷一些。

下面是DPPM解调器模块在线调试的采样波形，如图6所示。

图6 解调器波形图Fig.6 Signal waveform graph of demodulator

4 结 论

本文对大气激光通信中的DPPM调制解调进行了详细的理论分析，DPPM调制解调方式是PPM调制解调技术的一种改进，它不像PPM那样浪费时间直到一个确定的帧周期结束，在带宽利用率方面要明显高于PPM。根据调制解调系统的需要，建立了DPPM调制解调的系统模型，设计了DPPM调制解调数字化系统的实现方案，设计DPPM的特殊的帧结构（表面上看没有帧同步头），并且从系统实现的角度来看，由于DPPM这种特殊的帧结构决定在它在接收端解调时不需要提取帧同步信号，这将大大简化接收端的设计，更易于实现。

使用FPGA自带数字锁相环实现对时隙时钟信号的提取。在此基础上设计了DPPM调制器、DPPM解调器，并且进行了深入分析、设计和在线调试[7]。调试结果表明DPPM调制技术在节约带宽方面较PPM有较大的提高。将其应用在大气激光通信系统中，肯定会提升系统整体的性能。

综上所述，DPPM更适合未来的激光通信系统。对以后DPPM调制解调技术的实用化具有一定的参考价值。

[1]Keiser G.光纤通信 [M].3版.李玉权，译.北京：电子工业出版社，2002.

[2]Shu Lin Jr.差错控制编码[M].晏坚，何元智，等，译.北京：机械工业出版社，2007.

[3]柯政熙，殷致云.无线激光通信系统中的编码理论[M].北京：科学出版社，2009.

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[5]BlakeR.Electronic communication systems [M].USA:Thomson Learning and Publishing House of Electronics Industry，2002.

[6]柯熙政，席晓莉.无线激光通信概论[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[7]Franz J H，Jain V K.光通信器件与系统[M].许宏杰，蒋剑良，等译.北京：电子工业出版社，2002.

[8]魏丽英.空间激光通信系统PPM调制技术的研究 [D].长春：长春理工大学，2007.